笛卡兒讚同培根關於實驗的觀點，他也認為“實驗給我們提供了原始前提的必要素材，它還能檢驗我們所引出的結論的正確性。”
笛卡兒從與培根不同的方麵發展了自然科學的方法論。在1637年出版的《方法論》中，他提出了他的唯理論學說。他認為，在認識真理的過程中，起主要作用的不是經驗，而是理論思維，即理性；理性不僅和感性知覺相比是認識世界的最高階段，而且也是感官所不能直接感受到的、一切知識的獨立的、不依賴於感性的源泉。笛卡兒對物理學中發展起來的數學方法很向往，認為一切科學都應該按照數學的樣子建立起來，把理論思維作為知識的出發點。他認為，真理的不可缺少的標誌，是思維的明確和清晰，是由“理性直覺”到的沒有任何要疑之處的觀念的自明性，而且這種自明性是不需要經驗和邏輯證據的。他深信，從不容懷疑的和明晰確切的原理出發，通過邏輯的途徑和類似的數學的方法進行論證，就可以把自然界的一切顯著特征演繹出來，得出科學的結論。
笛卡兒還提出了“我思故我在”的原則，強調不能懷疑以思維為其屬性的獨立的精神實體的存在，並論證了以廣延為其屬性的獨立物質實體的存在。
笛卡兒的自然哲學觀點與亞裏士多德的學說是完全對立的。他認為所有物質的東西，都是為同一機械規律所支配的機器，甚至人體也是如此。同時他又認為，除了機械的世界以外，還有一個精神世界的存在，這種二元論的觀點後來成為了歐洲人的根本思想方法。
笛卡兒的力學研究
笛卡兒的哲學觀點是唯心主義的，他不是動力學觀念的擁護者，他在研究物理問題時所使用的主要方法也不是經驗和實驗。他把運動的終極原因歸於上帝，並從此得出了運動量守恒的結論。
在《哲學原理》的第二章中笛卡兒寫道：“完全有理由假定，上帝在創造物質的時候，就賦予物質各部分以不同的運動，而且使所有物質保持創造出來的那個時候所處的方式和狀態。所以，上帝也就使這些物質保持著原來的運動的量。”把上帝這個觀念作為論證的出發點當然是錯誤的，但是，笛卡兒這一運動量守恒的思想卻是極重要和深刻的。
在另一段中，他解釋了他所說的“運動量”的含義：“物質有一定的量的運動，這個量是從來不增加也從來不減少的。雖然在物質的某些部分中有時候有所增減。就是這個緣故，當一部分物質以兩倍於另一部分物質的速度運動，另一部分物質卻大於這一部分物質兩倍時，我們應該認為這兩部分的物質具有等量的運動，並且認為每當一個部分的運動減少時，另一部分的運動就相應的增加。”從這裏可以看出，笛卡兒所說的“物質”實際上是“質量”，雖然他沒有給這個概念以明確的定義。
笛卡兒是把動量（質量和速度的乘積）作為運動的量度的，他所表述的實際上是動量守恒的思想。
笛卡兒認為雖然運動量守恒是一條根本規律，然而它還不能確定自然事物發生的過程，還有三條第二級的定律在起作用。
第一條定律是說，如果沒有外界的作用，任何物質粒子的狀態（包括它的大小、形狀、位置或運動）不會有任何變化，根據這同一思想。他很自然的提出了他的第二條定律：“運動的本質是：如果物體處在運動之中，那麼如果沒有其他原因作用的話，它將繼續以同一速度在同一直線方向上運動，既不停下也不偏離原來的方向。”這是準確的慣性定律的表述是第一次提出了近代的慣性原理。
笛卡兒否定真空的存在，因而也反對超距作用的觀點，他把物體間的一切相互作用都歸結為擠壓和碰撞。關於碰撞的研究在他的物理學中占有重要的地位。